[論文レビュー] Modeling Supernova-like Explosions Associated with Gamma-ray Bursts with Short Durations

S. R. Kulkarni|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2005

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用数 93

ひとこと要約

本稿では、短時間・高エネルギーのガンマ線バースト（GRBs）に、ニッケルの放射性崩壊または自由中性子の崩壊によって駆動される、明るさが低く相対論的でない爆発であるマクロノーバが伴う可能性を提案している。マクロノーバのエネルギー源として中性子崩壊が用いられる場合、現在の10メートル級望遠鏡でバースト後数時間から1日以内に検出可能であり、短時間GRBの起源を解明するための重要な観測的道筋を提供する。一方、ニッケル駆動のマクロノーバは、長寿命の崩壊スケールのため、より深いつながりの観測が必要となる。

ABSTRACT

There is now good evidence linking short-hard GRBs with both elliptical and spiral galaxies at relatively low redshifts, redshift of about 0.2. This contrasts with the average redshift of about 2 of long-duration events, which also occur only in star-forming galaxies. The diversity of hosts is reminiscent of type Ia supernovae, which are widely (but not universally) believed to originate from the coalescence of white dwarfs. By analogy, it has been postulated that short-hard bursts originate from neutron star mergers. Mergers, as well as stellar core-collapse events (type II SNe and long-duration GRBs) are accompanied by long-lived sub-relativistic components powered by radioactive decay of unstable elements produced in the explosion. It is therefore interesting to explore whether short duration events also have ejecta powered by radioactivity (i.e. that are supernova-like). Observations already inform us that any supernova like component in the first few well studied short hard bursts must be fainter than those typical of type Ia or core-collapse supernovae. Rather than refer to weaker supernova-like component as ``mini-super nova'', an etymologically indefensible term, I use the term {\it macronova}. I investigate the observability of macronovae powered by neutron decay and by radioactive Nickel. Separately, I note that a macronova will reprocess energetic emission arising from a long lived central source. I find that surprisingly interesting limits on the basic parameters of macronovae can be obtained provided observations are obtained with current 10-m class telescopes over a range of one hour to one day following the burst.

研究の動機と目的

• 短時間・高エネルギーのガンマ線バーストに、放射性崩壊によって駆動される相対論的でない、超新星に類似した爆発（マクロノーバ）が伴うかどうかを調査すること。
• バースト後数時間から数日以内の光学光曲線に注目し、現在の10メートル級望遠鏡を用いたマクロノーバの検出可能性を評価すること。
• マクロノーバの2つの潜在的エネルギー源である自由中性子の崩壊と放射性ニッケルの崩壊を評価すること。
• 長寿命の中心源が、低速で動く物質と相互作用することで、放射輝度を観測可能な波長に再処理する役割を評価すること。
• 光子と物質の平衡、ガンマ線透過性、低質量で高速に拡散する物質へのエネルギー供給を考慮したマクロノーバの理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• 中性子崩壊と56Ni崩壊によるエネルギー供給を用いてマクロノーバの光曲線をモデル化し、観測窓に適した時間スケールに注目する。
• 低質量で高速に拡散する物質における光子生成、光子と物質の平衡、ガンマ線エネルギーの沈殿を組み込む。
• 低質量で急速に拡散する系において、ガンマ線に対する物質の透過率を計算する。これは、特に重要な要因である。
• 現在の10メートル級望遠鏡を用いた現実的な条件下での観測可能性を評価し、特に早期観測（1時間から1日以内）に注目する。
• 崩壊スケールと輝度の時間的変化を考慮して、中性子駆動とニッケル駆動のマクロノーバの検出可能性を比較する。
• 長寿命の中心源が、遅く動く物質と相互作用することで、放射輝度を長波長に再処理する効果を含める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 短時間・高エネルギーのGRBの直後数時間から1日以内に、中性子崩壊によって駆動されるマクロノーバは、現在の10メートル級望遠鏡で検出可能だろうか？
• RQ2 物質内に存在する放射性元素の崩壊スケールは、マクロノーバの検出可能性にどのように影響するか？
• RQ3 長寿命の中心源が、相対論的でない物質と相互作用することで、放射輝度を観測可能な放射に再処理する程度はどの程度か？
• RQ4 光子と物質の平衡およびガンマ線透過性は、低質量で高速に拡散するマクロノーバの観測可能な性質にどのように影響するか？
• RQ5 同じエネルギー出力であっても、なぜニッケル駆動のマクロノーバは中性子駆動のものよりも著しく検出が困難なのか？

主な発見

• 中性子崩壊によって駆動されるマクロノーバは、短時間・高エネルギーのGRBの直後数時間から1日以内に、現在の10メートル級望遠鏡で検出可能であり、実現可能な観測的道筋を提供する。
• 半減期900秒の中性子崩壊駆動マクロノーバは検出可能な信号を発生するが、半減期を人工的に90秒に短縮すると検出不能になる。
• ニッケル駆動のマクロノーバは、長寿命の崩壊スケールのため、現在の観測能力では有意義な制約を得るにはより深い観測が必要となる。
• 長寿命の中心源が相対論的でない物質と相互作用することで、放射輝度を再処理する効果は、マクロノーバ放射を模倣または強化し得るため、代替的なエネルギー源を提供する。
• 物質がガンマ線に対してどの程度透過するかは、特に低質量で高速に拡散する系では、観測可能な放射度を決定づける重要な要因である。
• マクロノーバの観測は、将来の重力波検出を除けば、短時間・高エネルギーのGRBの起源を解明する最も直接的な手がかりを提供する。